Standart Potansiyel nedir ve Nernst Denklemini ne tanımlar?

Standart elektrot potansiyeli, hidrojen elektrotunu referans elektrot olarak alarak, bir yarı hücre veya yarı hücrenin standart koşulları altındaki voltaj olarak tanımlanır. Bu arada Nernst Denklemi, konsantrasyon ve basınç değerleri standart değerlerden saptığında potansiyel değişimin hesaplanmasını sağlayan denklemdir.

Alıntı (APA)

Candela Rocio Barbisan | Ağustos 2022
Kimya Mühendisi

Her şeyden önce, hücre potansiyeli kavramını anlamak gerekir. Bir hazırlarken hücre galvanik veya pil Enerji redoks reaksiyonunun ürettiği hareket kaplinlerin bu akışa izin verme kapasitesine bağlı olarak bir iletken boyunca elektronların kuvvet itici güç Bu elektriksel büyüklük, potansiyel fark veya Gerilim ve olarak bilinir elektrik hareket gücü veya FEM. Bu EMF, örneğin bir voltmetre ile ölçülebilir.

Bu potansiyel fark standart koşullar altında ölçüldüğünde, Standart Elektrot Potansiyeli veya \(fe{{m}^{{}^\circ }}\) veya \(∆{{E}^{{}^) olarak bilinir. \çember }}\). Standart koşullar, 1 mol/L'lik saf katı ve sıvıların ve 1 atm basınçta gazların konsantrasyonlarını ifade eder.

İzole bir elektrotun potansiyelini ölçmek mümkün olmadığından, iki elektrot arasında bir elektron akışı gereklidir. kutuplardan birine sıfır değeri atanarak ve kutupların ∆E değeri bilinerek bir elektrotun potansiyeli belirlenebilir. hücre. Bunu yapmak için, potansiyel fark bir referansa, standart hidrojen elektrotuna (SHE) karşı ölçülür, burada platin elektrot (inert) Gaz halindeki hidrojenin 1 atm kısmi basınçta, 25ºC'de belirli bir çözeltide ve 1 mol/L'de kabarcıklandığı bir cam tüp içine alınır. konsantrasyon. Geleneksel olarak, bu elektrotun belirtilen standart koşullar altında potansiyel değeri, H'nin oksidasyonu içinde meydana geldiğinden, 0 V'dir.₂ (g) ve H'nin azaltılması⁺ çözümde.

Tablo değerlerine göre elektrotların standart potansiyellerinin şu şekilde olduğu Daniell Hücresine uygulanan durumu görelim: Zn(s) -0.76 V'nin oksidasyonu için ve Cu+2'nin indirgenmesi için, 0.34 V. O halde, \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) değeri, standart indirgeme ile yükseltgenme potansiyelleri arasındaki farktan kaynaklanır: 0,34 V – (-0,76 V) = 1,10 V. \(∆{{E}^{{}^\circ }}\) pozitif olduğundan, reaksiyon kendiliğindendir.

Hücrenin standart potansiyeli ile sabiti arasında bir ilişki vardır. Denge. Tepkimenin standart serbest enerjisinin şöyle olduğunu biliyoruz:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-nF∆{{E}^{{}^\circ }}\)

n redoks işleminde devreye giren elektron sayısı olduğunda, F Faraday sabitidir (96485). C/mol elektron) ve \(∆{{E}^{{}^\circ }}\)şartlar altında hücrenin potansiyel farkı standartlar.

Benzer şekilde \(∆{{G}^{{}^\circ }}\) da sürecin denge sabiti ile ilgilidir:

\(∆{{G}^{{}^\circ }}=-RTlnK\)

Her iki ifadeyi de eşitleyerek, denge sabiti K ile standart potansiyel arasındaki ilişki bulunabilir:

\(lnK=\frac{n~F~∆{{E}^{{}^\circ }}~}{R~T}\)

Şimdi, yükseltgenme-indirgenme reaksiyonunun standart koşullardan farklı koşullar altında gerçekleştirildiğini varsayarsak, bu potansiyelin yeniden hesaplanması gerekir. Bunu yapmak için, Alman bilim adamı Nernst, pilin standart potansiyelini farklı koşullar altında potansiyeli ile ilişkilendiren bir ifade geliştirdi:

\(∆E=∆{{E}^{{}^\circ }}-\frac{R~T~}{n~F}\ln Q\)

Q, reaksiyon bölümüdür ve R, J/mol olarak ifade edilmiştir. K.

Nernst Denklemi'nin farklı veya basitleştirilmiş ifadelerini bulmak yaygındır, örneğin, sıcaklık 298 K'yi sürece dönüştürür ve logaritma ondalık logaritmada doğal, ifade şu şekilde sonuçlanır:

\(∆E=∆{{E}^{{}^\circ }}-\frac{0.05916~V~}{n~}\log Q\)

Hücre çalışmaya başladığında ve ürünler üreten reaktanlar tüketildiğinde, tanımına göre Q değerinin \(∆E\)=0'a kadar artmaya başladığı kolayca tanımlanabilir. Şu anda sistem dengede ve Q = Keq.

Daniell Hücresine uygulanan Nernst Denklemi örneğini görelim. Standart potansiyelin 1,1 V olduğunu hatırlayarak (daha önce gördüğümüz gibi), konsantrasyonları değiştirirsek, şimdi Cu çözümlerimiz olduğunu varsayalım.⁺² 0,3 mol/L ve Zn⁺² 3 mol/L (1 mol/L yerine). 298 K'daki hücre potansiyeli şu şekilde verilir:

\(∆E=1.1~V-\frac{0.05916~V~}{2}\log \left( \frac{3}{0.3} \sağ)=1.07~V\)